中国科学技术大学ACS Nano | 单细胞影像学可视化：金属离子如何“操控”细胞生死决策

英文原题：Near-Native Imaging of Metal Ion-Initiated Cell State Transition

通讯作者：田扬超、田立娇（中国科学技术大学）

作者：Li-Jiao Tian（田立娇）*, Yu-Tong Zheng（郑羽桐）, Zheng Dang（党政）, Shuai Xu（徐帅）, Sheng-Lan Gong（龚盛兰）, Yu-Ting Wang（王钰婷）, Yong Guan（关勇）, Zhao Wu（吴朝）, Gang Liu（刘刚）, Yang-Chao Tian（田扬超）*

金属离子是生命活动不可或缺的“双刃剑”——微量时驱动酶促反应，过量时却引发毒性。细胞如何精准调控金属离子的吸收、储存与解毒？这一过程涉及复杂的细胞器动态协作，但其细节长期缺乏直观研究手段。

中国科学技术大学田扬超研究员与田立娇副研究员课题组长期致力于依托同步辐射大科学设施，近天然的冷冻软X射线断层成像（Cryo-SXT，又名纳米CT），获知生物效应的单细胞3D影像学信息（ACS Nano 2023, 17, 9069-9081; ACS Nano 2024, 18, 2030-2046; ACS Nano 2025, 19, 5279-5294）。近日，该团队在国际著名期刊ACS Nano 发表研究论文，首次利用cryo-SXT，在生物近天然状态下捕捉到金属离子触发的细胞器重塑全景。

传统显微技术需化学固定或染色，易破坏细胞天然状态。Cryo-SXT通过软X射线对快速冷冻的细胞进行三维断层扫描，分辨率达数十纳米，可无标记、无损伤地观察细胞器形态与相互作用。该技术不仅能定量分析线粒体、脂滴等结构变化，还能追踪重金属在细胞内的“命运”，例如直接观察到镉离子被转化为量子点的全过程。

图1. 金属离子诱导的线粒体超微结构变化（粉色）

研究团队系统解析了铁（Fe³⁺）、锰（Mn²⁺）、镉（Cd²⁺）、汞（Hg²⁺）四种金属离子对酵母细胞的差异化影响。铁与锰激活细胞增殖，此时线粒体向细胞两极聚集（图1B和C）、脂滴数量增加、脂滴体积收缩并形成中空结构、液泡形成新的囊泡结构。镉与汞触发细胞应激效应，出现线粒体碎片化（图1D和E）、细胞启动“自我清理”，液泡内形成自噬体（图2A）。镉离子被转化为硫化镉量子点（CdS QDs），并沉积于细胞质、液泡与线粒体（图2B-J）。Cryo-SXT定量分析显示，脂滴与线粒体（图3）、脂滴与核膜的接触频率随金属种类差异化响应。此外，细胞器结构变化比传统理化指标（存活率、线粒体膜电位、脂质过氧化）检测更敏感，有望成为新型生物标志物，用于环境毒理快速评估。

图2. 镉触发了自噬体和量子点的形成

图3. 脂滴（LDs）与线粒体之间的相互作用

相关论文发表在ACS Nano 上，中国科学技术大学国家同步辐射实验室田扬超研究员是本文的共同通讯作者。田立娇副研究员为本论文的共同通讯作者和共同第一作者，博士研究生郑羽桐为本论文的共同第一作者。

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Near-Native Imaging of Metal Ion-Initiated Cell State Transition

Li-Jiao Tian*, Yu-Tong Zheng, Zheng Dang, Shuai Xu, Sheng-Lan Gong, Yu-Ting Wang, Yong Guan, Zhao Wu, Gang Liu, Yang-Chao Tian*

ACS Nano 2025, 19, 5, 5279–5294

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12101 

Published January 28, 2025

Copyright © 2025 American Chemical Society

通讯作者简介

田扬超: 中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究员。田扬超研究员主要从事大科学装置建设和X射线成像方法及技术研究。近年来，完成了X射线成像光束线实验站等大型实验装置的建设，完成多项国家自然基金重点和面上项目、“863”项目和重大研发计划等研究课题。已在JACS，Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano，等国内外杂志共发表学术论文90余篇，获得国家发明专利30余项。

田立娇：中国科学技术大学国家同步辐射实验室副研究员。她长期致力于依托同步辐射大科学设施，探究生物效应的可视化和资源化研究。具体研究内容涵盖：借助纳米CT技术（Cryo-SXT），对重金属触发的生物效应，进行单细胞影像学分析（ACS Nano 2023, 17 (10), 9069-9081；ACS Nano 2024, 18 (3), 2030-2046；；ACS Nano 2025, 19 (5)，5279-5294等），为环境毒理学研究提供原位观测手段；基于重金属生物转化的全周期命运，重新编辑电子流和物质流，建立环境污染物到功能生物材料的可控转化新范式（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 35, 12149-12152；ACS Nano 2019, 13, 5, 5841-5851；Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 17, 10713-10721）；基于重金属生物转化，可控构筑活体材料，赋予非光合细菌利用太阳能；通过界面电子传递机制解析，实现活体材料的光能转化效率突破，为绿色生物制造提供新路径（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, (14), 6434-6441；Nat. Commun. 2024, 15, 2030）。

（本稿件来自ACS Publications）